汽车天窗设计

汽车天窗设计
摘要：本文简述了汽车天窗的工作原理，结构特点，性能要求及实验要求，阐明了汽车天窗优化设计的设计流程。
关键词：汽车天窗优化设计。
1．前言
汽车天窗在国外有100多年的历史，已成为汽车文化的一部分。在中国市场上，许多汽车制造厂家已开始引入天窗配套项目，目前，许多厂家的汽车都推出了天窗版轿车。
开车的人都知道，一辆车里挤的人越多，车内的空气就越浑浊。如果在车内吸烟，车里就更是烟雾缭绕，车里的气味更是难闻。为消除这些让人感觉不舒服的味道，许多人选择购买车用香水，但这只能起到一定的除味效果。当然，打开侧窗也可起到换气的作用，可车辆在运行中打开窗户会产生很大的噪音，而且风直接冲撞到司机降低舒适感，坐在后排座位的人也会被侧窗的风吹得睁不开眼。
汽车在行驶过程中若经常打开窗户，不仅影响车内温度，会带进大量灰尘及传入车外噪声，而且由于高速行驶形成的风会直接冲撞到车内的乘员，降低乘坐舒适度，因此现代汽车一般都关窗驾驶。对于车身密封性不良的汽车，虽然也能带进部分新鲜空气，但由于不能人为地控制进风，进风量难以符合要求，而且进风部位是随机的，往往带进大量灰尘、烟气（发动机废气），污染车内空气。但若车内无新鲜空气补充，会使车内空气中二氧化碳含量增大、氧气含量下降；车内还会因抽烟、人体呼吸、食物及物品等使空气气味不好，影响乘员身体健康；为了防止汽车前窗结霜凝雾，也需要引入新风，需要有通风装置。
另外，通过天窗的玻璃可以自然采光，车室内明亮并可以营造浪漫的气氛，并给喜欢高档车的顾客带来了满足感。因此，加装天窗既为汽车改善通风状况的有效方法。
汽车档次不同，天窗也有很多种，所以，在汽车上装配天窗就存在着优化问题，也就是本文的研究所在。

2．定义

2.1 天窗
天窗：是指安装于汽车顶部、主体材料为玻璃的车身部件，并且该部件有一部分能够由电机驱动并通过传动机构将天窗玻璃沿滑槽前后移动、倾斜启闭，且能按要求停留在任意位置。
天窗分为固定式天窗也叫全景式天窗和活动式天窗。活动天窗又分为手动式玻璃天窗及电动式玻璃天窗。
2.2 优化设计
优化设计：设计是创造方案的过程，传统的设计是设计者按设计要求和设计者的实践经验，参考类似结构，通过判断创造方案，然后进行力学分析或按规范要求作安全校核，再修改设计。这一过程繁复，且往往只能创造出可行方案。而优化设计则把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量

部分以变量出现，形成全部可能的设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。实践证明，优化设计能缩短设计周期、提高设计质量和水平，取得显著的经济效益和社会效益。
而最优设计是在明确结构的经济性与安全性等指标下，结合计算机辅助设计，很方便地实现分析计算、设计、出图等全过程的自动化，提高了设计效率和质量。

3．天窗的作用

3．1 汽车活动天窗是汽车乘坐室与外界的空气直接交换通道，是改善汽车内部温度和空气质量的一种方法，而汽车内部温度和空气质量对驾乘人员在长时间驾驶车辆过程当中的舒适感以及驾驶安全性有着较大的影响。打开天窗，使车内空气循环，使汽车内部可以保持新鲜的空气，可以排出烟味、酒味、霉味等，消除暖风空调的不适感，减小驾乘人员因空气混浊所引起的昏睡感，增加汽车乘坐舒适度，减少司机的疲劳感并可以预防交通事故。
3．2 在湿度高的天气和寒冷的季节可以防止玻璃上的湿气。
3．3 闷热的夏天，长时间停车再启动时，打开天窗可尽快排出热空气，降低车内温度。
3．4 天窗本身配有的顶盖支架增加了车内的安全性，发生交通事故时天窗也可以用作紧急出口。在野外摄影、打猎时天窗起着同样方便的作用。

4．天窗工作原理

天窗装置是利用流体力学的原理，将车内的混浊气体“抽”出，使空气得到充分的交换。
在流体力学研究领域，实验证明在流速高的情况下流体对管壁的压力小，在流速低的情况下流体对管壁的压力大。汽车在高速行驶情况下，由于汽车顶盖都具有一定的弧度，因此，外部气流在流经汽车顶盖时速度会很高，外部空气对汽车顶盖的压力小于车内空气对汽车顶盖的压力，车内空气向车外流动，压力变小，外部新鲜空气补充进车内，这样，车内空气得到循环，汽车内部就可以保持新鲜的空气。

5．天窗的种类及特点

5．1 汽车天窗种类
汽车天窗种类见表1

表1
天窗
固定式玻璃天窗活动式玻璃天窗
滑帘式天窗手动式玻璃天窗电动式玻璃天窗
上推式天窗推拉式天窗外滑式天窗内滑式天窗
注：1. 固定式玻璃天窗也就是玻璃顶棚，不可活动，不减弱甚至会加强整车强度及刚度。
2. 滑帘式天窗主体材料为可折叠的软帘，软帘沿滑槽前后移动、启闭，且能按要求停留在任意位置。
5．2 汽车天窗特点
手动式玻璃天窗见表2
表2
种类特点
上推式天窗天窗不能移动，可绕前端转动轴转动翘起一定角度，安装方便，操作简单，天窗玻璃可拆卸，车内头顶空间损失小
推拉式天窗天窗能向后移动

，操作简单方便，开度大，车内头顶空间损失小

电动式玻璃天窗特点见表3
表3
型式外滑式内滑式
特点 1．天窗玻璃受到空气阻力帮助开启更为便捷。
2．天窗安装更为容易。 1．车辆在高速行驶中不会受到外界风流冲击的影响。
2．天窗在关闭状态下，其后侧仍然能够抬起一定间隙，同样自然循环车内空气。
3．在天窗玻璃关闭时仍然可以通过遮阳板来遮避太阳光的照射。
运动及位置天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后在顶盖上部（外侧）保持倾斜状态向后滑动打开。天窗玻璃从关闭位置倾斜开启一个角度，然后回到关闭位置，并在顶盖下部（内侧）向后滑动打开。
开度
a. 倾斜高度
b. 向后滑动
≈40～60mm

≈60﹪的玻璃宽度
≈40～50mm

≈100﹪的玻璃宽度
电机位置前置前置或后置
车体结构顶盖外板开孔顶盖外板开孔、折边焊加强框
结构与安装天窗上的螺钉应紧固，无松动现象；滑槽内的运动件应移动顺畅，无卡滞现象和异常噪声；遮阳帘在天窗上应安装到位，且操作灵活，便于拆卸。
车内头顶空间损失 ≈35～45mm ≈50～60mm

安装布置空间要求安装布置范围小，用于车身顶盖长度尺寸安装布置要求空间较大，用于车身尺寸相对较大的车型
设计制造投资少，开发制造周期短（1年左右），产品有一定的通用性（在后加装中可用于多种相近的车型）为某一种车型单独设计和制造，高投入，需2～3年的开发制造周期
费用情况投入少，产量小，单价相对高投入大，产量高，单价相对低
应用范围 a. 在后加装天窗时使用，可用于车身顶盖曲面及结构相接近的多种车型上；
b. 经过适当的工艺改进，也可以在车身尺寸较小的原厂车型上使用应用于原厂生产的车型，单独为该原厂车型设计和制造，不能与其他车型匹配
5．3 汽车天窗各组成零部件执行标准
GB/T 2828 逐批检查技术抽样程序及抽样表
QC/T 625 汽车用涂镀层和化学处理层
GB/T 17340 汽车安全玻璃的尺寸、形状、外观
GB 9656 汽车用安全玻璃
GB/T 12421 客车门窗用橡胶密封条
QC/T 413 汽车电器设备基本技术条件

6．天窗的结构型式

6．1 天窗的结构
a. 夹紧式结构
天窗分为天窗总成单元及安装固定框两部分，分别位于车身顶盖的外侧和内侧，通过紧固件使这两部分闭合并同时夹住车身顶盖的安装固定方式为夹紧式结构。
b. 悬挂式结构
这种结构的天窗需要为其专门设计车身顶盖，顶盖要有一个翻边孔；同时另需设计一个顶盖加强件（冲压件），并与车身顶盖的翻边孔焊接在一起。天窗总成作为一个整体，通过紧固

件悬挂固定在加强件上。
天窗夹紧式与悬挂式结构的比较
型式夹紧式悬挂式
外观天窗玻璃高于车身顶盖与车身顶盖保持平整
安装方式 1．天窗总成在上部；
2．安装固定框在下部；
3．车身顶盖在中间。从顶盖下部（车内）向上安装；紧固件螺母焊接在顶盖加强件上，通过螺栓从下部将天窗与加强件固定在一起
密封天窗与车顶间由密封条强制密封，天窗玻璃与开口框架处由密封条强制密封玻璃周边密封条与车顶翻边配合，密封条有一定的压缩量，起到密封作用。
排水系统不需要，天窗与车身强制密封，雨水无法进入车身需要。天窗及车身结构中需要一套排水系统将渗入天窗内部的雨水排到车身外部
车身顶盖的结构设计在车身顶盖上设计一个简单的冲切孔，不需要加强件需要在车身顶盖上设计一个翻边孔，另外需要设计一个加强件，并与顶盖孔的翻边焊接在一起
车身的制造仅需另外制造一副顶盖冲孔模；制造精度要求相对低 1．在顶盖制造上另外需要多副模具，如顶盖冲孔落料、翻边、整形等；
2．需要一套模具制造加强框；
3．需要定位及焊接工装将加强框与顶盖焊接。制造过程复杂，精度要求较高（天窗的密封性能以及与顶盖的外观配合受尺寸精度的影响较大）；辅助工装要求高（如定位夹具、检具等）
车身制造周期及费用车身制造周期较短，费用相对较低车身制造周期较长，费用相对较高
6．2 天窗的密封（排水）方式
a 主动式密封方式
通过天窗与顶盖之间的密封，以及天窗玻璃与天窗开口处密封条的密封，阻止灰尘及雨水等进入天窗及车身内部。
b 被动式密封（排水）方式
通过天窗玻璃周边的密封条与车顶翻边的密封结合，阻止灰尘及大部分雨水；同时，天窗总成内部需要设计有流水槽及排水导管接头，将少量从玻璃密封条与车顶接合处渗入的雨水排到车身外部。
在天窗总成内部框架的4个拐角处各设计一个排水导管接头，排水导管接头连通流水槽并外接排水导管，前部的排水导管通过车身A柱，后部的排水导管通过车身C柱或D柱，将雨水导出车身。
6．3 天窗玻璃开启运动的实现，均是由一个电机提供动力，在开关以及电路模块的控制下，通过减速机构、传动拉索，将动力传递给与玻璃相连接的左右侧连杆机构，由连杆机构的运动实现玻璃的倾斜、前后移动等动作。电机可以位于前部，也可以放置于后部。
6．4 经过特殊处理的安全强化玻璃，可有效阻挡有害射线、热及耀眼的阳光。玻璃可设计成多种多样的，甚至可以用钢面板替换玻璃板。精心设计的天窗框架不但不会使车体整体

刚度减弱，反而会增加车体刚度。
6．5 图3为内滑式天窗的典型结构图

7．天窗的性能要求

作为整车的一个功能性部件，天窗除应满足整车常规要求，如安全性、可靠性、耐久性以及舒适性等，还要有自身的一些特点，因此，天窗应满足以下方面要求：
7．1 安全性
在安全性方面，天窗系统应满足下表所列的各项要求：

要求型式
外滑式内滑式
系统的强度（关闭位置） 500N向上冲击力天窗保持正常的功能
1800N向上冲击力天窗玻璃不能破碎，并与天窗总成框架连接牢固
>1800N向上冲击力天窗玻璃在与窗总成框架连接失效前，首先粉碎
在开启位置玻璃受垂直载荷的位移在玻璃后端中点施加220N的垂直载荷（上或下） <10mm <25mm
系统可靠性关闭位置承受890N向下均匀载荷保持原有各项性能
电机被堵转运行1h后电机保持原有各项性能，并且不能有过热、冒烟或产生异味的现象
在玻璃角度完全开启位置，承受450N的侧向力系统不能有物理损坏及功能失效
在玻璃角度完全开启位置，承受450N垂直载荷（上或下）系统不能有物理损坏及功能失效
玻璃开度为25mm时，在前部承受680N的向后推力系统不能损坏，玻璃后移量<10mm
7．2 天窗应具有安全防夹功能，即玻璃在关闭过程中遇到障碍物时，能够自动结束关闭运动并同时向后返回。
图3
1. 天窗加强框 8. SCU
2. 顶盖前横梁 9. 天窗电机
3. 顶盖前托梁 10. 天窗驱动装置
4. 顶盖后托梁 11. 天窗玻璃
5. 顶盖后横梁 12. 导水槽
6. 顶盖内饰 13. 遮阳板
7. 天窗框架
7．3 性能要求
外观要求 1天窗的金属件必须经过防腐蚀处理，或使用具有防腐蚀性的材料制造。
2天窗的塑料件表面应光滑平整、无气泡，无影响使用的变形。
3 天窗金属零件的涂镀层和化学处理层应符合QC/T 625中相关条款的有关规定。
4 天窗的玻璃表面应符合GB/T 17340中6有关前风窗以外玻璃规定，其余性能符合《GB 9656 汽车用安全玻璃》的规定。
5 天窗密封条的表面质量和性能要求应符合GB/T 12421规定。
性能要求 1基本性能
a）工作电压
天窗在11V～15V电压下应运行平稳，不允许有异常噪声和卡滞现象。
b）电流特性
天窗的工作电流不大于3.2 A，堵转电流小于15A，防夹电流不大于5A。
2 密封性
在一定的实验条件下，天窗的玻璃与框架之间的防水密封性好，不允许有渗漏现象。
3 耐振性
天窗经QC/T413规定的扫频振动试验后符合第1条的规定。
4 耐久性
天窗应能经受15000次的工作循环，试验后的基本性能应符合第1条的规定。
5 耐温性
天窗应能在-30℃～85℃的环境温度范围内工作，经高低温试验后应符合第1

条的规定。
6 耐湿热性
天窗应能经受耐湿热试验，试验后应符合第1条的规定。
7 安全性
天窗应具有防夹保护功能，当关闭天窗时，如遇到障碍物，天窗能自动运行开启至极限位置。
8 防盗性
天窗应具有自动关闭功能。当车钥匙打到OFF位时，如果此时天窗不在关闭的位置，10秒后会自动关闭。
实验方法 1试验条件及设备
a）试验电源采用足够容量的直流稳压电源。
b）试验电压为（12±0.3）V，接线电阻为（0.25±0.02）Ω。
c）环境温度为（5～40）℃。
d）天窗的各项试验可在模拟状态下进行。
e）耐久性试验的一个工作循环为30秒。天窗玻璃开启至极限位置，断电10秒，然后再通电使玻璃关闭至最终位置，断电10秒。
2外观检查
按外观要求规定，采用目视检查和评定。天窗表面不能划伤、起泡，丝网印刷要清晰。
3基本性能试验
a) 工作电压的试验
将天窗分别接入11V～15V的两个电压，各运行两个工作循环。运行效果应符合基本性能要求中的规定。
b) 电流测量
当天窗在试验电压下，用电流表测量天窗运行的工作电流，然后将玻璃开启到极限位置时，使电机堵转，测量其堵转电流；用同样的方法测量天窗玻璃关闭时的工作电流及堵转电流。检验结果应符合基本性能要求中相应的规定。
4密封性试验
将天窗安装在喷淋试验装置（保证天窗上淋到的水均匀，不得有死区存在），喷头出水口离天窗距离约为700mm，喷嘴的喷射压力为69~147kpa，降雨强度为4～6mm/min试验条件下，喷嘴的轴线与车辆基准Z平面垂直，喷嘴朝向车体，使天窗淋雨15min。观察试验效果，不允许有渗漏现象。
5耐振性试验
在QC/T413规定的扫频振动试验条件下进行扫频振动试验，试验后符合基本性能要求中的规定。
6耐久性试验
天窗在试验电压下，按如下规定的试验温度在试验装置上进行耐久性试验，试验后按基本性能要求检验天窗的基本性能，按密封性要求检查天窗的密封性。
环境温度：5000个工作循环；–20℃：2000个工作循环； +70℃：3000个工作循环；
环境温度： 5000个工作循环；
7耐温试验
7.1天窗放入室温开始的低温箱中，达到（–30±3）℃的低温并保持2h后，自低温箱中取出10min内完成产品性能测试，试验后应符合基本性能要求中的规定。
7.2天窗放入室温开始的高温箱中，达到（85±1）℃温度后再保持2h，自高温箱中取出2min内完成产品性能测试，试验后应符合基本性能要求中的规定。
8恒定湿热试验
天窗放入恒定湿热试验箱。调节试验箱，使温度为（40±2）℃，相对湿度90%～95%（先调节温度，当达到温度后再加湿），连续保持24h，取出在正常大气下放置

1～2h，应符合基本性能要求中规定。
9安全性试验
将天窗按实际使用状态安装，并使天窗按自动工作方式开启至极限位置，然后在其关闭的过程中，设置一障碍物，以阻止玻璃继续运行。此时测得最大电流值不得大于基本性能要求中的相关项目所规定的值。（此项仅适用于防夹方式）
10防盗性
将天窗按实际使用状态安装，并使天窗按自动工作方式开启一定位置，然后将车钥匙打倒OFF位，等待10秒后，天窗自动运行至关闭位置。
11噪声检验
将天窗放在噪声测试房内，噪音测试房内本底噪声应小于20dB，测试天窗运行一个周期的噪声应≤ 70 dB 。
7．4 天窗玻璃的光学性能
天窗玻璃光学性能的考核主要有以下几个指标：
a．透光率
b．光反射率
c．总能量传导率
d．总能量反射率
e．紫外线传导率
7．5 密封性
对于安装天窗系统的汽车而言，不但要保证天窗与车身之间密封，而且要保证天窗系统自身密封，或是能完全阻止灰尘及雨水等进入车身内部，或是在密封的同时还能利用天窗的排水系统将少量从玻璃密封条与车顶接合处渗入的雨水排到车身外部，绝对不允许在汽车内部有水迹。
7．6 天窗系统对风噪的影响
a 一定车速下，打开的天窗玻璃会产生一定的噪声，在产品设计时应注意控制这一噪声源。通常在车速为25～110km/h时，由此产生的风噪不能超过9db。
b 天窗玻璃密封条与车身结合的部位也可能产生噪音，在产品设计时应考虑结合部位的间隙以及平整度，将其噪声对车内的影响控制在2db以内。
C 天窗系统中的空气导流板也可能产生风噪，应注意其形状、角度和高度，将其产生的风噪控制在3db以内。
7．7 满足整车设计要求
对于整车而言，天窗安装部位的车身结构是一个开放性的结构，在产品设计时应注意该部位对车身整体的刚性及振动频率的影响，并通过CAE对其进行分析，使其满足整车设计要求。

8．汽车天窗优化设计

针对天窗系统的特点以及天窗对车身的影响、安装要求，新研制车型天窗优化设计应按以下流程进行：
1) 新研制车型天窗的设计依据是新研制车型的整车设计方案和车身设计方案。
2) 根据整车设计方案所确定的新研制车型市场定位、功率来决定新研制车型是否配置天窗、配置哪一种天窗，所配置天窗应具备哪些功能。
3）新研制天窗必须满足国家强制性标准GB11552-1999?轿车内部凸出物?的要求。
4）天窗各组成零部件必须满足国家法规要求。
5）依据整车总布置要求及人机工程学原理确定天窗在顶盖上的位置、大小。
6）参考配置有天窗的同类车型以确定新研制车型顶盖外板的开口尺

寸、天窗加强框的厚度及外廓尺寸、各梁的厚度及外廓尺寸。
7）根据整体造型风格，依照车身主模型进行形面设计，确保在关闭状态下天窗与车体协调一致，天窗框架与车体配合协调。
8）天窗不但要满足自身的强度、刚度要求，也要满足整车强度、刚度要求。
9）无论是车体钣金件还是成品件在不影响整车强度、刚度及天窗性能的前提下都要考虑尽量借用现有件以降低整车成本。
10）在保证整车成本及使用维护成本最低的前提下确定天窗的结构；新研制零部件的材料、结构、寿命。
11）玻璃组件不但须满足国家强制性标准GB9656-1996?汽车用安全玻璃?的要求，还必须能反射99﹪的紫外线，97﹪的红外线，80﹪的太阳光。
12）遮光挡板面料应与顶盖内饰面料种类、颜色一致，不得出现明显色差。
13）在天窗各组成零部件确定后，用计算机对位于整车位置的天窗总成及其周边车体数模进行装配、运动模拟，以检查天窗各组成零部件自身及与车体的协调性、可操作性。
14）用计算机对位于整车位置的天窗总成及车体数模进行强度、刚度计算。
15）用计算机对位于整车位置的天窗总成及车体数模进行碰撞模拟。
16）对天窗总成及车体强度、刚度裕度较大的部位进行减重。
17）对天窗总成及其周边车体结构进行降成本活动。
18）在尽量不改动整车主模型的前提下，解决以上步骤所发现的问题。
19）重复以上步骤，实现迭代设计，得到最优方案。